Hårdheten hos kolstål kan påverkas av ett antal olika faktorer, inklusive kolkontakten, mängden och typen av andra element i legeringen och de specifika processer som används för att skapa stålet. Lågt kolstål, som innehåller mellan 0.05 och 0.25 % kol, är vanligtvis den mjukaste varianten, även om det kan härdas genom en process som kallas för karburering. Ultrahögt kolstål, som kan bestå av upp till 2 % kol, är vanligtvis den hårdaste typen, även om den slutliga hårdheten för varje produkt också bestäms av olika värmebehandlingsprocesser. Härdningsprocesser kan öka hårdheten hos kolstål med en faktor på cirka fyra, även om efterföljande härdning vanligtvis sänker hårdheten.
Kolstål är en legering som huvudsakligen består av järn och kol. Andra element kan också vara närvarande, vanligtvis i mycket små mängder. Det finns några olika definitioner av vad som exakt utgör kolstål, även om element som kisel och koppar vanligtvis står för mindre än 0.6 % av olika legeringar. Vissa kolstållegeringar kan också innehålla upp till 1.6 % av grundämnen som mangan. Eftersom det finns ett antal olika legeringar som alla vanligtvis kallas kolstål, tenderar varje typ att ha olika hårdhet.
Den primära faktorn som påverkar hårdheten hos kolstål är mängden kol som finns i legeringen. Lågkolstål tenderar att vara det mjukaste, medan ultrahögt kolstål kan vara ganska hårda och spröda. Det är också möjligt att ändra de fysiska egenskaperna hos kolstål genom olika behandlingar, antingen för att öka eller minska hårdheten.
Även om lågkolhaltigt stål är relativt mjukt, kan en process som kallas uppkolning göra att det blir hårdare. Denna värmebehandlingsprocess får faktiskt legeringen att absorbera ytterligare kol från fasta, flytande och gasformiga källor som träkol och kolmonoxid. Kolet absorberas vanligtvis bara i metallens yta, vilket resulterar i ett höljehärdat yttre skikt och en mjukare, formbar kärna.
Kolstål med högt innehåll tenderar att vara mycket svårt till att börja med, men härdningsprocesser kan göra dem ännu svårare. Om en kolstållegering är för hård kommer den vanligtvis också att vara ganska skör. Vissa exceptionellt hårda legeringar utsätts faktiskt för härdnings- och härdningsprocesser som kan minska hårdheten hos kolstål och öka duktiliteten. Andra processer, såsom glödgning, kan också effektivt öka duktiliteten och minska stålets totala hårdhet.